Тема III. Химическая термодинамика

Задание 3.1. Запишите реакцию взаимодействия указанного по варианту элемента с кислородом. Используя приведенные в табл. III.1 данные, рассчитайте энтальпию образования оксида.

Пример решения 3.1

Пусть по условию задачи в реакцию вступает 20 г алюминия. При взаимодействии с кислородом выделяется 619,85 кДж тепла (0.

Энтальпией образования (A/fj?_29g) сложного соединения

называется тепловой эффект образования 1 моля этого соединения из

простых веществ, взятых в устойчивом состоянии при стандартных

условиях. Единицей измерения является кДж/моль.

Записываем уравнение химической реакции

4. А1 (тв) + 3 0₂ = 2 А1₂0₃ (тв).

Определяем количество тепла (Q) для одного моля соединения,

для этого проводим сокращение и получаем

2 А1 (тв) + 3/2 0₂ (г) - А1₂0₃ (тв).

По условию задачи:

при соединении 20 г алюминия выделяется 619,85 кДж

при соединении 2-х молей алюминия, т.е. 2^27, выделяется Q кДж

_л 2-27-619,85 _и

Q = = 1673,6 кДж.

20

Так как тепло выделяется, то энтальпия системы уменьшается А//298 “ - 1673,6 кДж%оль.

Следовательно^ "реакция образования оксида А1₂0₃ является экзотерм ической.

Задание 3.2. Для приведенной по варианту реакции (табл.

2. 2) Рассчитайте: a#j298 (кДж), 298 (Дж/к), a(?j?298 (кДж)

химической реакции, вероятность ее протекания при Р = 101,3 кПа иТ~ 298 К и температуру начала реакции.

По закону Гесса тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния конечных продуктов и исходных веществ, но не зависит от пути протекания реакции, т.е. от числа и характера промежуточных стадий, т.е., при расчете АН⁰ химической реакции

а//_{298> х} р А//^£ продуктов реакции А//^ исходных веществ

При этом следует учитывать число молей веществ в уравнении химической реакции.

Так для реакции:

aiAj + а₂А₂ + ...⁼ biBj + b₂B₂ + ..., где а_г - число молей для исходных веществ; А,- - исходные вещества; Ь,- число молей для продуктов; В_г -- конечные продукты,

АЯ°₂98, х.р. = (^1^298, В_} ^{+ ЬгЛ}^298, В₂ ⁺'"^ “ ^‘^298, ^{+ а2Л}^298, А₂ ⁺'"^'

Значения термодинамических параметров, приведенных в Приложении 2, даны для одного моля вещества. Стандартная

энтальпия образования вещества обозначается Mi® ₂₉₈.

В качестве примера рассчитаем A#_{29g х р} Для следующей

химической реакции:

2СО (г) + 2Н₂ (г) = СИ, (г) + С0₂ (г).

АЯ°₂₉8, х-р.^ (А//^_{98 СН4 (г)}+ А^298,С0₂ (г)) ^{(2 М/}298,СО(г) ^{+ 2ЛЯ}298, Н₂(г) > ⁼

• (-74,85+(-396,3)) (2х(-110,5) + 2><0) = -250,15 кДж.

Так как энтальпия системы уменьшается (АН < 0), то тепло выделяется. Следовательно данная реакция является экзотермической.

Аналогично рассчитаем А5°₂₉₈ химической реакции.

Энтропия вещества определяет меру беспорядка в системе и

представлена значением _5^₉₈. Единица измерения энтропии: Дж/молв К.

^Л5298,х.р⁼^298,СН₄(г)^{+ 5}298,С0₂ (г)) (²⁵298,СО(г)⁺²⁵298, Н₂(г) )

=(186,19+213,6) (2x197,4 + 2x130,6) = -794,59 Дж/К = -0,795 кДж/К.

Так как энтропия системы уменьшается (AS < 0), следовательно система стала обладать большей степенью упорядоченности.

Переходим к расчету ЛС^₉₈ химической реакции. Значение

А<7^₉₈ химической реакции рассматривается как изменение

свободной энергии системы (энергии Гиббса) - энергии, используемой для совершения полезной работы.

л<;" л//* — T-vvvi,' v

298,х.р. 298,х.р. 298,х.р. ^v

При расчете AG^ химической реакции, согласно второму

закону термодинамики, от полной энергии, связанной с АН реакции отнимается энергия "беспорядка", т.е. - произведение TxAS. В результате получается "энергия порядка", а порядок характеризует работу, которую может совершить система.

Если свободная энергия системы уменьшается (А<У_хр <0), значит химическая реакция термодинамически вероятна.

Реакция не может протекать самопроизвольно, если АС_хр>0, т.е., если свободная энергия возрастает, то на совершение работы требуются затраты энергии извне.

При AGx._p=0 система находится в состоянии термодинамического равновесия.

Согласно вышеприведенной формуле, .д, ^ q

дс“₉₈ = (-250,15) —298x(-0,795)V= +13,24 кДж, \/

т.е. реакция при 298 К и Р = 101,3 кПа термодинамически не возможна.

Рассчитаем температуру начала реакции, т.е. Т_равн. Для этого исходим из условия термодинамического равновесия, при котором

AG_x._p=0:

AG® = АЯ° - ТхД5° =0.

298,х.р. 298,х.р. 298,х.р.

-25015

Тогда Т= Ж = =314,65 К,

-°'⁷⁹⁵

ниже этой температуры реакция будет термодинамически возможной, так как AG^g _х примет значение меньше нуля.

Вариант	Элемент	Масса элемента, г	Формула оксида	Выделенное тепло, кДж
1	Fe	560	FeO	-2648
2	Si	2,8	Si02	-90,8
3	Li	28	Li20	1190,8
4	Ca	160	CaO	2542,0
5	Г” Fe	11,2	Fe203	-82,2
6	S	160	so2	-1485,3
7	Na	46	Na20	-416,3
8	К	78	K20	-726,4
9	Cr	26	Cr03	-292,8
10	Zn	13	ZnO	-70,1
11	Ca	5	CaO	-79,4
12	Mg	12	MgO	-300,5
13	В	21,6	B2o3	-1254,0
14	p	248	P2Os	-6192,3
15	Be	18	BeO	-1197,0
16	Ag	54	Ag20	-7,7
17	Cs	26,6	Cs20	-31,7
18	Cu	128	CuO	-324
19	Rb	17,1	Rb?0	-33,0
20	Sr	438	SrO	-2952,0
21	Ti	144	ТЮ	-1579,0
22	Ge	145,2	GeO	-510,0
23	A1	27,0	A1203	-837.5
24	С	60,0	co2	-1967,5
25	As	75,0	As205	-462,5
26	Ba	68,5	BaO	-279,0
27	С	36,0	CO	-331,5
28	Cu	32,0	Cu20	-43,3
29	N	70,0	n2o	+205,2
30	H	4,0	H20	-483,6

31

Номер варианта	Уравнение реакции
1	СН4 (г) + 202(г) = С02(г) + 2НгО (г)
2	СО (г) + Н20 (г) = С02 (г) + Н2 (г)
3	2H2S (г) + 302 = 2Н20 (ж) + 2S02 (г)
4	2СН30Н (ж) + 302(г) - 4Н20 (ж) + 2СОг (г)
5	4НС1 (г) + 02 (г) - 2С12 (г) + 2Н20 (г)
6	СаСОз (к) + НС1 (ж) = СаС12 (к) + СО (г)
7	3Fe203 (к) + Н2(г) = 2Fe304(K) + Н20 (г)
8	Fe203 (к) + ЗН2 (г) = 2Fe (к) + ЗН20 (г)
9	Fe304 (к) + 4Н2(г)= 3Fe (к) + 4Н20 (г)
10	Fe304 (к) + Н2 (г) = 3FeO (к) + Н20 (г)
11	СО (г) + 2Н2(г) = СН3ОН(ж)
12	СО(г) + ЗН2 (г) = СН4(г) + Н20(г)
13	MgO (к) + Н2 (г) = MgC03 (к) + Н20 (ж)
14	С (граф) + 2 N20 (г) = С02 + 2 N2 (г)
15	4NH3 (г) + 302 (г) = 2N2 (г) +6Н20 (ж)
16	S02 (г) + С02 (г) = S03 (г) + СО (г)
17	4NH3 (г) + 502(г) = 4NO (г) + 6Н20 (г)
18	2С12(г) + 02 (г) = 2С120,(г)
19	2ZnS (к) + 302 (г) = 2ZnO (к) + 2S02 (г)
20	СаО (к) + ЗС (граф) = СаС2 (к) + СО (г)
21	H2S (г) + С12 (г) = 2НС1 (г) + S (к)
22	H2S (г) + 12(г) = 2HI (г) + S (к)
23	А1203 (к) + 3S03 (г) = A12(S04)3 (к)
24	2H2S (г) + 02 (г) = 2Н20 (г) + 2S (к)
25	4НС1 (г) + 02 (г) - 2Н20 (г) + 2С12 (г)
26	2Р (т) + Н2 (г) + 302 (г) = 2 НР03 (ж)
27	С2Н5ОН (ж) + 302 (г) = 2С02 (г) + ЗН20 (г)
28	2NH4N03 (к) = 4Н20 (г) + 02 (г) + 2N2 (г)
29	2PbS (к) + 302 (г) = 2РЬ0 (к) + 2S02 (г)
30	S02 (г) + 2H2S (г) = 3S (к) + 2Н20 (г)